Yêu cầu thiết kế máy thu phát LTE UE

Thiết kế máy thu phát vô tuyến LTE UE LỜI NÓI ĐẦU Công nghệ LTE nghiên cứu phát triển rộng rãi giới, LTE cung cấp cho người dùng tốc độ truy nhập liệu nhanh, cho phép phát triển thêm nhiều dịch vụ truy cập sóng vô tuyến dựa tảng hoàn toàn IP, đáp ứng nhu cầu truy cập liệu, âm thanh, hình ảnh với tốc độ cao, băng thông rộng người dùng Để chuẩn bị tiến tới công 4G/LTE thời gian tới với hạ tầng nhà mạng Việt Nam không ngừng thay đổi phát triển, thay đổi công nghễ lẫn mô hình cấu trúc việc tìm hiểu kiến trúc việc thiết kế máy thu phát di động cho LTE UE phù hợp với hệ thống hạ tầng viễn thông mối quan tâm hàng đầu hãng sản xuất điện thoại di động Chính đề tài: “ Thiết kế máy thu phát cho LTE UE ” nêu lên vấn đề cần lưu ý thiết kế máy thu máy phát LTE UE Các nội dung đề tài sau:     CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ 4G LTE VÀ HỆ THỐNG THU PHÁT VÔ TUYẾN CHƯƠNG II: CÁC YÊU CẦU CHUNG THIẾT KẾ 4G LTE UE CHƯƠNG III:CÁC VẤN ĐỀ THIẾT KẾ MÁY PHÁT LTE UE CHƯƠNG IV:CÁC VẤN ĐỀ THIẾT KẾ MÁY THU LTE UE  Báo cáo tiểu luận Page Thiết kế máy thu phát vô tuyến LTE UE MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Kiến trúc tổng quát hệ thống thu phát vô tuyến Hình 2.1: Sơ đồ khối phân hệ vô tuyến tối ưu EGPRS/WCDMA/LTE Hình 2.2: Ảnh hưởng giảm độ nhạy rò tạp âm từ TX vào RX Hình 2.3: Các chế giảm độ nhạy Hình 2.4: Sơ đồ khối phân chia máy phát thu/băng gốc (BB) giao diện IQ tương tự cho trường hợp máy di động có băng 3G HSPA bốn băng 2G Hình 2.5: Giao diện vô tuyến băng gốc (RF-BB) sử dụng DigRFSMv4 với phân tập anten Hình 2.6: Mức độ phức tạp máy thu LTE Hình 3.1: Phổ 24dBm WCDMA 23dBm LTE 5MHz QPSK Hình 4.1: Thí dụ kẻ xâm hại (gây nhiễu) nạn nhân (bị nhiễu) phân hệ vô tuyên máy di động đa băng đa chế độ tối ưu Báo cáo tiểu luận Page Thiết kế máy thu phát vô tuyến LTE UE Hình 4.2: Phổ ACLR đường lên LTE 10 MHz QPSK băng UMTS 700 MHz chồng lấn lên băng thu Hình 4.3: Phương pháp điểm ‘B’ để phòng ngừa tự giảm độ nhạy UE Hình 4.4: Tự trộn máy thu biến đổi trực tiếp (DCR) Hình 4.5: Yêu cầu đo kiểm chọn lọc kênh lân cận trường hợp I cho 5MHz LTE Hình 4.6: Yêu cầu đo kiểm chọn lọc kênh lân cận trường hợp I cho 20MHz LTE Hình 4.7: Các thành phần phi tuyến có mặt nhiễu -25dBm ACS Hình 4.8: Đo nhiễu chặn băng hẹp cho 5MHz LTE Hình 4.9: Ảnh hưởng thay đổi F ACF chuẩn 5MHz tối ưu hóa cho WCDMA tỷ lệ c với băng thông công tác LTE Hình 4.10: Lọc bỏ ảnh có hạn Hình 4.11: Nhân PN dao động nội với sóng mang DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT LTE - Long Term Evolution Tiến hóa dài hạn GSM- Global System for Mobile Communications Hệ thống thông tin di động toàn cầu UMTS - Universal Mobile Telecommunications Systems Hệ thống viễn thông di động toàn cầu FDD – Frequency Division Duplexing Song công phân chia theo tần số TDD – Time Division Duplexing Song công phân chia theo thời gian WCDMA - Wideband Code Division Multiple Access Đa truy cập phân mã băng rộng HSPA - High Speed Packet Access Truy cập gói tốc độ cao GPRS - General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói tổng Báo cáo tiểu luận Page Thiết kế máy thu phát vô tuyến LTE UE hợp EVDO - EVolution-Data Optimized Tối ưu hóa Dữ liệu DCR - Conversions Receiver Máy thu biến đổi trực tiếp EVI- Electromagnetic Interference: Nhiễu điện từ MPR - Maximum Power Reduction Giảm công suất cực đại ACI - Adjacent Channel Interference Mặt nhiễu kênh lân cận ACS - Adjacent Channel Selectivity Độ chọn lọc kênh lân cận EVM - Error Vector Magnitude Biên độ vecto lỗi ACLR - Adjacent Channel Leakage Ratio Tỷ số rò kênh lân cận Báo cáo tiểu luận Page Thiết kế máy thu phát vô tuyến LTE UE BẢNG PHÂN CÔNG CÔNG VIỆC TRONG NHÓM Thành viên Công việc Bùi Tiến Đức- Trưởng nhóm Tìm hiểu sâu IV, làm silde Nguyễn Văn Công Tìm hiểu sâu chương I, II Lại Văn Thức Tìm hiểu sâu chương III Báo cáo tiểu luận Page Thiết kế máy thu phát vô tuyến LTE UE CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ 4G LTE VÀ HỆ THỐNG THU PHÁT VÔ TUYẾN 1.1 Tổng quan LTE 1.1.1 Đặc trưng 4G công nghệ truyền thông không dây hệ thứ 4, cho phép truyền tải liệu với tốc độ tối đa điều kiện lý tưởng tới 1-1,5 GB/s LTE (Long Term Evolution), công nghệ coi công nghệ di động hệ thứ (4G, thực chất LTE coi 3,9G) 4G LTE chuẩn cho truyền thông không dây tốc độ liệu cao dành cho điện thoại di động thiết bị đầu cuối liệu Nó dựa công nghệ mạng GSM UMTS, LTE nhờ sử dụng kỹ thuật điều chế loạt giải pháp công nghệ khác lập lịch phụ thuộc kênh thích nghi tốc độ liệu, kỹ thuật đa anten để tăng dung lượng tốc độ liệu Các tiêu chuẩn LTE tổ chức 3GPP (Dự án đối tác hệ thứ 3) ban hành quy định loạt tiêu kỹ thuật phiên (Release 8), với cải tiến nhỏ mô tả Phiên LTE chuẩn cho công nghệ truyền thông liệu không dây tiến hóa chuẩn GSM/UMTS Mục tiêu LTE tăng dung lượng tốc độ liệu mạng liệu không dây cách sử dụng kỹ thuật điều chế DSP (xử lý tín hiệu số) phát triển vào đầu kỷ 21 Một mục tiêu cao thiết kế lại đơn giản hóa kiến trúc mạng thành hệ thống dựa IP, chuyển từ mạng UMTE sử dụng kết hợp chuyển mạch kênh chuyển mạch gói sang hệ thống kiến trúc phẳng toàn IP độ trễ truyền dẫn tổng giảm đáng kể so với kiến trúc mạng 3G Giao diện không dây LTE không tương thích với mạng 2G 3G, phải hoạt động phổ vô tuyến riêng biệt Phần lớn tiêu chuẩn LTE hướng đến việc nâng cấp 3G UMTS để cuối thực trở thành công nghệ truyền thông di động 4G Một lượng lớn công việc nhằm mục đích đơn giản hóa kiến trúc hệ thống, E-UTRA hay gọi E-UTRAN, giao diện vô tuyến LTE 1.1.2 Các ưu điểm LTE Tốc độ tải xuống đỉnh lên tới 299.6 Mbit/s tốc độ tải lên đạt 75.4 Mbit/s phụ thuộc vào kiểu thiết bị người dùng (với 4x4 anten sử dụng độ rộng băng thông 20 MHz) kiểu thiết bị đầu cuối khác xác định từ kiểu tập trung vào giọng nói tới kiểu thiết bị đầu cuối cao cấp hỗ trợ tốc độ liệu đỉnh Tất thiết bị đầu cuối xử lý băng thông rộng 20 MHz • Trễ truyền dẫn liệu tổng thể thấp (thời gian trễ đi-về ms cho gói IP nhỏ điều kiện tối ưu), trễ tổng thể cho chuyển giao thời gian thiết lập kết nối nhỏ so với công nghệ truy nhập vô tuyến kiểu cũ Báo cáo tiểu luận Page Thiết kế máy thu phát vô tuyến LTE UE • • • • • • • • Cải thiện hỗ trợ cho tính di động, thiết bị đầu cuối di chuyển với vận tốc lên tới 350 km/h 500 km/h hỗ trợ phụ thuộc vào băng tần OFDMA dùng cho đường xuống, SC-FDMA dùng cho đường lên để tiết kiệm công suất Hỗ trợ hai hệ thống dùng FDD (FREQUENCY DIVISION DUPLEX) TDD (TIME DIVISION DUPLEX) FDD bán song công với công nghệ truy nhập vô tuyến Hỗ trợ cho băng tần hệ thống IMT sử dụng ITU-R Tăng tính linh hoạt phổ tần: độ rộng phổ tần 1,4 MHz, MHz, MHz, 10 MHz, 15 MHz 20 MHz chuẩn hóa (WCDMA yêu cầu độ rộng băng thông MHz, dẫn tới số vấn đề với việc đưa vào sử dụng công nghệ quốc gia mà băng thông MHz thương ấn định cho nhiều mạng, thường xuyên sử dụng mạng 2G GSM CDMAOne) Hỗ trợ 200 đầu cuối liệu hoạt động tế bào có băng thông MHz Đơn giản hóa kiến trúc: phía mạng E-UTRAN gồm eNode B Giao diện vô tuyến chuyển mạch gói 1.2 Kiến trúc tổng quát hệ thống thu phát vô tuyến Hình 1.1: Kiến trúc tổng quát hệ thống thu phát vô tuyến  Kiến trúc chia thành phần:  Phần phát: Xử lý tín hiệu số DSP, DAC, Bộ điều chế, Bộ biến đổi nâng tần, Bộ khuếch đại công suất  Phần thu: Xử lý tín hiệu số DSP, ADC, Bộ giải điều chế, Bộ biến đổi hạ tần, Bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA  DSP (Digital Singnal Processing): Bộ xử lý tín hiệu số -để xử lý tín hiệu băng gốc đầu vào sau đưa vào DAC Báo cáo tiểu luận Page Thiết kế máy thu phát vô tuyến LTE UE  ADC/DAC (Analog to Digital Converter/ Digital to Analog Coverter): Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự/số ngược lại  Bộ nâng tần/hạ tần: mục đích tăng giảm tần số cho phù hợp trường hợp thu phát  PA (Power Amplifier): Bộ khuếch đại công suất- để khuếch đại công suất đủ lớn trước đưa vào anten  LNA (Low Noise Amplifier): Bộ khuếch đại tạp âm thấp- để khuếch đại tín hiệu thu yếu gây tạp âm Báo cáo tiểu luận Page Thiết kế máy thu phát vô tuyến LTE UE CHƯƠNG II: CÁC YÊU CẦU CHUNG THIẾT KẾ 4G LTE UE Tất LTE UE phải hỗ trợ giao diện vô tuyến chuẩn Chức LTE cấu trúc đỉnh kiến trúc 2G GSM/EDGE 3,5G WCDMA/HSPA Phần trình bày khác biệt vấn đề thiết kế LTE UE so với WCDMA UE 2.1 Các vấn đề cần giải thiết kế phân hệ vô tuyến 2.1.1 Hỗ trợ đa chế độ đa băng Thiết bị LTE có nhiệm vụ đảm bảo kết nối đến giao diện vô tuyến chuẩn để cung cấp khả chuyển mạng khách hàng vùng chưa thể triển khai trạm gốc LTE Mấu chốt để tiếp nhận công nghệ đảm bảo tính liên tục việc cung cấp dịch vụ cho nghười sử dụng Thiết bị phải hỗ trợ yêu cầu theo vùng chuyển mạng nhà khai thác khác phải hỗ trợ đựơc nhiều băng tần Để đưa thành công công nghệ mới, hiệu UE phải có khả cạnh tranh với công nghệ có xét tiêu chí chủ chốt giá thành, kích thước tiêu thu lượng Mặc dù thiết kế khối vô tuyến vòng khóa pha (PLL: Phase Locked Loop) máy thu phát (TRX), nhà thiết kế phải định hỗ trợ băng tần đồng thời đầu cuối để tối ưu phần vô tuyến Điều dẫn đến số lượng dải tần số khuếch đại tạp âm nhỏ (LNA: Low Noise Amplifier) đệm phát tăng Hỗ trợ tiêu chuẩn với hỗ trợ băng tần dẫn đến nhiều trường hợp sử dụng phức tạp Cần nghiên cứu điều để đạt đựơc giải pháp tối ưu xét kích thước giá thành Dưới số tổ hợp đa mốt có thấy trước: EGPRS+WCDMA+LTE FDD EGPRS+TD-SCDMA+LTE TDD EVDO+LTE FDD Hai tổ hợp đầu lộ trình chuyển dịch tự nhiên qua công nghệ tổ ong 3GPP trình chuẩn hoá đưa chế đo để đảm bảo chuyển giao qua lại công nghệ mà không ảnh hưởng đến khai thác (thu phát) hai chế độ đồng thời Điều cho phép ba chế độ sử dụng tuyến phát tuyến thu hai tuyến thu sử dụng phân tập Trong tổ hợp cuối cùng, việc hỗ trợ chuyển giao phức tạp kết hợp tuyến phát thu khả thi có hai máy thu yêu cầu phân tập LTE Các yêu cầu đa chế độ hỗ trợ vi mạch (IC) TRX có khả lập lại cấu hình cao sở vô tuyến định nghĩa phần mềm (SDR: Software Defined Radio) Khả lập lại cấu hình xẩy chủ yếu phần băng gốc máy thu máy phát Khai thác đa băng xẩy phần LO (dao động nội) TRX đầu vô tuyến (RF-FE) Việc phải hỗ trợ nhiều băng đa chế độ dẫn đến phải đưa cấu trúc phân hệ vô tuyến tối ưu hóa sử dụng lại phần cứng mà kích thước số lượng phần tử trở thành vấn đề Cải thiện lĩch vực tiến hành sở trình tối ưu hóa thực đầu cuối EGPRS/WCDMA đồng thời mở rộng chúng để đáp ứng chức LTE Như không Báo cáo tiểu luận Page Thiết kế máy thu phát vô tuyến LTE UE làm cho chức LTE phù hợp với chương trình khung kiến trúc sử dụng cho 2G 3G mà tìm hội để sử dụng lại phần cứng: • Phải đạt hiệu LTE mà không sử dụng thêm lọc ngoài: LNA trộn máy phát PA lọc thực số thiế kết WCDMA Điều không loại bỏ hai lọc băng tần mà đơn giản hóa thiết kế TRX IC đa băng Điều tối quan trọng chế độ FDD mà băng sử dụng băng thông kênh lớn khoảng cách song công nhỏ • Tái sử dụng tuyến RF cho băng tần không phụ thuộc vào chế độ khai thác Điều bao hàm việc sử dụng: - Dùng chung băng: sử dụng lại lọc thu cho chế độ đặc EGPRS (bán song công) sử dụng lại lọc song công cho chế độ FDD - Khuếch đại công suất đa chế độ: tái sử dụng PA cho chế độ băng tần Thí dụ máy di động đa băng đa chuẩn máy di động Mỹ với chuyển mạng quốc tế hỗ trợ: EGPRS bốn băng (các băng 2/3/5/8), WCDMA bốn băng (các băng 1/2/4/5) LTE ba băng (các băng 4/7/13) Sơ dồ khối giải pháp hoàn toàn tối ưu đựơc cho hình 2.1 Các ký hiệu hình 2.1 sau: LB: băng thấp, HB: băng cao , DCXO: dao động tinh thể số, PGA: khuếch đại khả lập trình, FE CTL: điều khiển đầu vô tuyến, SPxT chuyển mạch tương tự, TXVCLO: dao dộng tinh thể điều khiển điện áp máy phát, ĐHĐB: đồng đồng hồ, DAC: biến đổi số thành tương tự, ADC: biển đổi tương tự thành số, DSP: xử lý tín hiệu số, MM PA: khuếch đại công suất đa chế độ, LNA: khuếch đại tạp âm nhỏ Báo cáo tiểu luận Page 10 Thiết kế máy thu phát vô tuyến LTE UE kỹ thuật điều khiên công suất tương tự cho LTE cho tất trường hợp MPR Mặc dù tạp âm băng TX xảy băng RX không yêu cầu tường minh đặc tả 3G WCDMA, phép đo độ nhạy tham chuẩn thực toàn công suất phát phát Để đáp ứng độ nhạy tham chuẩn, mức rò tạp âm TX phải thấp sàn tạp âm nhiệt Các nỗ lực gần kiến trúc TX cho phép bỏ lọc TRX IC PA Các lọc tầng sử dụng để làm tạp âm phát trước khuếch đại tiếp Việc thiết kế cẩn thận nguồn tạ âm RF TRX IC cho phép loại bỏ lọc Báo cáo tiểu luận Page 22 Thiết kế máy thu phát vô tuyến LTE UE CHƯƠNG IV: CÁC VẤN ĐỀ THIẾT KẾ MÁY THU LTE UE 4.1 Các phần tử gây tự giảm độ nhạy FDD UE Hình 4.1 cho thấy nạn nhân nhạy cảm với tự giảm độ nhạy UE LNA máy thu chính, bảo vệ cách ly TX đến cửa vào RX lọc song công LNA phân tập hưởng lợi nhờ loại bỏ nhiễu từ TX đến lọc song công cộng với cách ly anten đến anten Trong đo kiểm hợp chuẩn, cách ly anten đến anten cao đo kiểm thực với sử dụng cáp đồng trục bọc kim, chế ghép nhiễu liên quan đến xuyên nhiễu mạch in Cả hai nạn nhân làm việc tồn hai nguồn tạp âm kẻ xâm hại: phát xạ tạp âm PA UE tạp âm chế độ chung băng rộng đường nối DigRFSMv4 Báo cáo tiểu luận Page 23 Thiết kế máy thu phát vô tuyến LTE UE Hình 4.1: Thí dụ kẻ xâm hại (gây nhiễu) nạn nhân (bị nhiễu) phân hệ vô tuyên máy di động đa băng đa chế độ tối ưu 4.2 Tạp âm phát rơi vào băng thu Ta xét tự giảm độ nhạy UE theo giả thiết đưa phần Nạn nhân UE với NF 3dB giảm độ nhạy cho phép cực đại 0,5 dB Từ phần ta xác định mật độ phổ công suất tạp âm (PSD: Power Spectral Density) cực đại kẻ xâm hại phải thấp -180dBm/Hz 4.3 Băng tần có khoảng cách song công (DD: Duplex Distance) lớn Trường hợp giống trường hợp máy cầm tay băng I WCDMA Giả thiết trường hợp xấu với cách ly song công RX 43 dB, PSD tạp âm cực đại rơi vào băng RX đo cửa PA phải -180dBm/Hz+ 43dB= -137dBm/Hz Hầu hết PA đo kiểm tạo tín hiệu lý tưởng, nghĩa tạo sóng đảm bảo sàn tạp âm gần sàn tạp âm nhiệt khoảng cách song công, vừa đủ đáp ứng mức nói Đây lý cần thiết kế độ điều chế vi mạch RFIC cung cấp sàn tạp âm thấp đến PA Giải pháp đơn giản sử dụng BPF (bộ lọc băng thông) các tầng, số băng cần hỗ trợ tăng điều dẫn đến tăng linh kiện (BOM: Bill of Material) Đưa giải pháp thiết kế TX RF không dùng lọc giải pháp cân đối khôn ngoan mật độ linh kiện cho phép, tiêu thụ dòng điện điều chế RF, giá thành BOM đảm bảo mức độ nhạy tham chuẩn cạnh tranh cho khách hàng 4.4 Băng thông truyền dẫn lớn băng tần có khoảng cách song công nhỏ Mặc dù nhiệm vụ tránh giảm độ nhạy máy thu không đơn giản băng có khoảng trống song công (DG: Duplex Gap) lớn, có giải pháp nhiều hội để đưa giải pháp Đối với DG nhỏ, tình trạng nghiêm trọng kẻ xâm hại không sàn tạp âm PA băng mà phần PA ACLR (xem hình 4.2) Vì cách để đảm bảo hoạt động hệ thống phải giảm độ nhạy 3GPP Báo cáo tiểu luận Page 24 Thiết kế máy thu phát vô tuyến LTE UE Hình 4.2: Phổ ACLR đường lên LTE 10 MHz QPSK băng UMTS 700 MHz chồng lấn lên băng thu Các nghiên cứu cho thấy công suất 23dBm, giảm độ nhạy băng 12 lên đến 16 10dB NF 9dB Để giải vấn đề này, hai kỹ thuật đề xuất:  MSD (Maximum Sensetivity Degradation: giảm cấp độ nhạy cực đại): kỹ thuật giảm độ nhạy nạn nhân bao gồm giảm nhẹ mức độ nhạy tham chuẩn lượng phù hợp Chẳng hạn 16 12 dB với NF dB băng 12 Công suất phát UE trì cực đại P outmax  Phương pháp điểm B: kỹ thuật ‘giảm công suất kẻ xâm hại’, giữ nguyên độ nhạy tham chuẩn Kỹ thuật trì UE P số khối tài nguyên outmax (RB) có hạn điểm gọi ‘B’ Khi N RB > điểm ‘B’ lùi công suất để ngừa tự giảm độ nhạy UE Vì điểm ‘B’ tương ứng với số RB cực đại Báo cáo tiểu luận Page 25 Thiết kế máy thu phát vô tuyến LTE UE mà P outmax trì, điểm ‘A’ điểm mà phải lùi công suất cực đại lượng ‘X’ để hỗ trợ số RB cực đại (N ) mà không giảm cấp RBmax độ nhạy tham chuẩn (xem hình 4.3 ) Hình 4.3: Phương pháp điểm ‘B’ để phòng ngừa tự giảm độ nhạy UE 4.5 Ảnh hưởng rò sóng mang máy phát lên đầu vào LNA máy thu Trong máy thu biến đổi trực tiếp (DCR: Direct Coversion Receiver), cân cấu trúc vi sai tự trộn số chế tạo sản phẩm méo hài điều chế giao thoa bậc hai (IMD2) Tự trộn xảy cách ly có hạn phần vô tuyến cửa dao động nội trộn hạ tần Trong tình trạng này, hành vi trộn đánh giá gần hàm bình phương tín hiệu đầu vào tạo sản phẩm IMD2 Bình phương nhiễu chặn CW (sóng liên tục) cho thành phần chiều (DC) loại bỏ thành phần lọc thông cao (HPF) Tuy nhiên bình phương nhiễu chặn điều chế AM tạo tạp âm băng rộng giống sản phẩm IMD2 giảm cấp tỷ số SNR tín hiệu mong muốn Trong kiến trúc không dùng lọc, rò TX máy di động đặt yêu cầu IIp2 trộn chặt chẽ Cần đảm bảo tỷ số tín hiệu tạp âm yêu cầu tín hiệu thu mong muốn ≈ yếu ( -85dBm) với có mặt công suất trung bình rò TX vào khoảng - 10,5dBm, công suất trung bình rò TX đầu ≈ vào LNA tính sau: Công suất trung bình đầu vào LNA 27dBm- tổn hao cách ly siêu cao tần/ghép – cách ly song công + khuếch đại LA=27dBm-0,5 dB-52dB+15dB= -10,5dBm Giải pháp đơn giản sử dụng lọc băng thông tầng lựa chọn ưa chuộng tăng độ phức tạp giá thành So sánh IMD2 Báo cáo tiểu luận Page 26 Thiết kế máy thu phát vô tuyến LTE UE sóng mang đựơc điều chế đường lên máy thu DCR WCDMA LTE QPSK thể hình 4.4 Hình 4.4: Tự trộn máy thu biến đổi trực tiếp (DCR) 4.6 ACS, nhiễu chặn băng hẹp thách thức thiết kế ADC 4.6.1 ACS nhiễu chặn băng hẹp Cả hai yêu cầu ACS nhiễu chặn băng hẹp (NB: Narrow Band) số đo khả máy thu thu tín hiệu mong muốn tần số kênh ấn định có mặt nhiễu kênh lân cận (ACI: Adjacent Channel Interference) đảm bảo yêu cầu thông lượng Yêu cầu thông lượng phải lớn 95% thông lượng cực đại kênh đo tham chuẩn đặc tả Mục đích yêu cầu để kiểm tra lọc bỏ ACI (ACIR: Adjacent Channel Interference Rejection) Cả hai đo kiểm quan trọng để tránh rớt gọi UE eNodeB nhà khai thác lân cận không đựơc đặt site Đối với LTE, ACS định nghĩa theo nguyên tắc giống UMTS Yêu cầu hiệu LTE ACS tương tự giống UMTS tần số 10 MHz, nhẹ 15 MHz 20 MHz LTE ACS định nghiã cho băng thông với giả thiết tín hiệu LTE điều chế nguồn nhiễu định nghĩa cho điều kiện SINR thấp Giống đặc tả WCDMA, đặc tả LTE dựa quỹ ACS băng 33 dB rút từ nhiễu mô đồng tồn hệ thống Để tránh yêu cầu chọn lọc chặt chẽ cac băng 15 MHz 20 MHz, giảm nhẹ 3dB 6dB ACS đề suất cho băng Đo kiểm cho trường hợp (nhiễu yếu) thực theo bảng 3, kết đo kiểm tổng kết bảng hình 4.5, 4.6 Trường hợp đo kiểm ACS thực với công suất trung bình tín hiệu mong muốn đặt cao mức độ nhạy tham chuẩn 14 dB công suất nhiễu thay Báo cáo tiểu luận Page 27 Thiết kế máy thu phát vô tuyến LTE UE đổi cho băng thông kênh mong muốn Trong trường hợp ACS này, giống UMTS, tín hiệu mong muốn cao độ nhạy hiệu dụng 14 dB có mức tuyệt đối khác cho băng thông khác Đối với băng thông thấp 10MHz, C/I -31,5dB ACS đưa 33 dB gồm dự trữ thực 2,5dB Tại băng thông cao hơn, C/I giảm Như băng thông 5MHz, P =-100 dBm, tín hiệu mong muốn -86dBm nhiễu kênh lân cận -54,5 dBm Đối với băng thông 20MHz, P =-94dB, nhiễu kênh lân cận -81,5 dBm, C/I=-25dB ACS=27dB Các hình 4.5 4.6 minh họa yêu cầu đo kiểm ACS trường hợp cho 5MHz LTE 20MHz LTE Trường hợp đo kiểm ACS II (để nhấn mạnh dải động UE) thực cách đặt công suất nhiễu không đổi -25dBm, công suất nhiễu thay đổi để đảm bảo điều kiện đo kiểm ACS 33dB Chẳng hạn băng thông kênh 5MHz (N =25, RB B=4,5MHz) tỉ số công suất sóng mang nhiễu (CIR) -56,5dBm-(-25dBm) =31,5dBm Thông số RX B nhiễu 1,4 1,4 1.4 fnhiễu (dịch tần) [MHz] ACS giả thiết 33 [dB] P [dBm] Trườn mong muốn g hợp Pnhiễu[dBm] đo P [dBm] kiểm I Trườn mong muốn g hợp P [dBm] nhiễu đo Băng thông kênh, Bchannel 10 15 5 5 7,5 10 3 33 33 Pmin+45,5dB -56,5 -56,5 -56,5 33 Pmin+14dB -56,5 -25 20 12,5 30 27 P P +42,5dB -53,5 +39,5dB -50,5 Bảng 3: Quan hệ tín hiệu nhiễu tín hiệu mong muốn yêu cầu ACS Báo cáo tiểu luận Page 28 Thiết kế máy thu phát vô tuyến LTE UE Hình 4.5: Yêu cầu đo kiểm chọn lọc kênh lân cận trường hợp I cho 5MHz LTE Hình 4.6: Yêu cầu đo kiểm chọn lọc kênh lân cận trường hợp I cho 20MHz LTE Một số khối UE DCR bị ảnh hưởng ACSII LNA Hệ số khuếch đại LNA phải đủ nhỏ để không làm tải đầu vào trộn I/Q nhờ giảm bới yêu cầu tuyến tính trộn, đồng thời phải đủ cao để phòng ngừa UE NF không đảm bảo yêu cầu SNR tối thiểu gây yêu cầu đo kiểm MCS cao Ngoài LTE nơi mà PAPR cao WCDMA, xuất nguồn nhiễu mạnh đặt yêu cầu tuyến tính LNA Các thành phần phi tuyến LNA tạo rò kênh lân cận (ACL) chồng lấn lên tín Báo cáo tiểu luận Page 29 Thiết kế máy thu phát vô tuyến LTE UE hiệu mong muốn trực tiếp làm giảm SNR sóng mang Hình 4.7 minh họa vấn đề Hình 4.7: Các thành phần phi tuyến có mặt nhiễu -25dBm ACS Đo kiểm nhiễu chặn băng hẹp (NB) minh họa hình 4.8 băng thông kênh 5MHz (Bconfig=4,5MHz) Phép đo kiểm đảm bảo triển khai LTE UE vùng có tiêu chuẩn thông tin di động khác GSM/EDGE Để giảm thiểu tổn hao dung lượng hệ thống, cần giảm băng bảo vệ Vì thế, đo kiểm nhiễu chặn NB đặt kênh mong muốn UE nằm cách nhiễu chặn khoảng dịch tần nhỏ Đo kiểm khác đo khiểm WCDMA chỗ: LTE, nhiễu chặn tín hiệu CW (so với GMSK 3G), dịch tần đặt 2,7075MHz (thay 2,7MHz 3G) Sở dĩ để dịch tần bội số lẻ (2k+1)x7,5 đảm bảo không rơi vào điểm không phổ sóng mang nhận từ FFT Tín hiệu mong muốn cho phép giảm độ nhạy 16dB băng thông kênh 5MHz (so với 10dB 3G) Báo cáo tiểu luận Page 30 Thiết kế máy thu phát vô tuyến LTE UE Hình 4.8: Đo nhiễu chặn băng hẹp cho 5MHz LTE 4.6.2 Ảnh hưởng yêu cầu băng thông linh hoạt lên thiết kế lọc kênh tương tự Các hệ thống OFDM khắc phục đựơc nhiễu ký hiệu (ISI: Inter- Symbol Interference) nhiễu sóng mang (ICI: Inter-Carrier Interfrence) kênh truyền sóng tán thời gây cách đưa tiền tố chu trình (CP: Cyclic-Prefix) CP hoạt động giống khoảng bảo vệ ký hiệu OFDM liền kề Vì CP dài khả chống lại trải trễ lớn tốt với trả giá tổn hao lượng lớn Phải chọn độ dài CP phù hợp để tránh nhòe tín hiệu méo trễ nhóm (GDD: Group Delay Distortion) lọc tương tự Hơn việc chọn loại lọc cho trường hợp trải trễ tồi dự kiến chuẩn (mô hình ETU chẳng hạn) không chiến lược tốt Lý phần lớn trường hợp UE trải nghiệm trễ nhỏ chiều dài CP, sử dụng kết ứơc tính ước tính kênh băng gốc để lập trình động hàm truyền đạt lọc FIR số sau ADC Giải pháp thông minh đảm bảo hiệu ACS lọc ACF trước ADC Vậy hạn chế tăng giảm tần số cắt ‘F c’ 3dB ACF gì? Hình 4.9 cho thấy ảnh hưởng thay đổi Fc lọc chuẩn tối ưu hóa cho WCDMA ACS nhiễu chặn lên GDD trải nghiệm F c lọc dãn co lại thừa số tỷ lệ với tỷ số băng thông băng thông LTE Báo cáo tiểu luận Page 31 Thiết kế máy thu phát vô tuyến LTE UE Hình 4.9: Ảnh hưởng thay đổi F ACF chuẩn 5MHz tối ưu hóa cho c WCDMA tỷ lệ với băng thông công tác LTE Từ hình 4.9 ta thấy ‘F c’ lọc thấp, trễ nhóm, méo trễ nhóm (GDD) ACIR nhiễu chặn cao Chẳng hạn LTE làm việc băng µ thông kênh 1,4 MHz, GDD cao s chút Trường hợp ‘tiêu tốn’ lượng độ µ dài CP chuẩn 4,7 s ảnh hưởng ISI kênh trải trễ lớn Từ thí dụ ta kết luận tăng giảm tỷ lệ tần số cắt Fc ACF giải pháp tốt Một giải pháp khác sử dụng lợi điểm giảm nhẹ yêu cầu 3GPP để điều chỉnh ACF ACIR đáp ứng yêu cầu ADC DR khai thác 15 20 MHz Khi tăng cừơng ADC DR băng thông kênh nhỏ sử dụng để giảm độ dốc lọc đạt toàn lợi ích độ dài CP 4.7 Các phần tử EVM: so sánh LTE WCDMA Quỹ dường xuống LTE đặt gần 8% So với WCDMA quỹ 10-12% chí khai thác HSDPA với yêu cầu chặt chẽ Tuy nhiên điểm LTE đo EVM sử dung cân cưỡng không Vì cần phân biệt Báo cáo tiểu luận Page 32 Thiết kế máy thu phát vô tuyến LTE UE phần tử AWGN phần tử cân không gây hại cho máy thu Đây điểm khác biệt quan trọng WCDMA nơi mà hệ số trải phổ đủ lớn, phần tử EVN cư sử AWGN Phần minh họa khác biệt nói số giảm cấp chọn lựa: khuếch đại I/Q cân pha, méo ACF tạp âm pha dao động nội DCR 4.7.1 Ảnh hưởng lọc ảnh có hạn phối hợp pha biên I/Q Trong thiết kế phần RF/tương tự thực tế, gần thiết kế DCR với khuếch đại đáp ứng pha cho nhánh I Q Vì DCR có hai giảm cấp: không phối hợp pha biên ký hiệu ∆A ∆Φ dẫn đến việc lọc bỏ ảnh (IR: Image Rejection) có hạn Các kết IR có hạn sóng mang chồng lấn với sóng mang nằm vị trí tần số ảnh gương hình 4.10 Tỷ số công suất sóng mang ảnh định nghĩa IR Nếu giả thiết ký hiệu mang sóng mang không tương quan, ảnh hưởng IR lên LTE không khác với hệ thống đơn sóng mang coi nguồn AWGN Hình 4.10: Lọc bỏ ảnh có hạn 4.7.2 Ảnh hưởng méo trễ nhóm biên độ băng thông lọc tương tự Đóng góp giảm cấp lọc thông thấp (LPF) trung tần không Ảnh hưởng lọc kênh I/Q đo cho 5MHz 16 QAM LTE WCDMA đường xuống Kết cho thấy EVM LPF 8% WCDMA giảm xuống 1,2% đối LTE Như LTE giảm quỹ giảm cấp LPF so với WCDMA Đóng góp giảm cấp lọc thông cao (HPF) trung tần không Các sản phẩm IMD2 tạo thành phần chiều dẫn đến sau tín hiệu khuếch đại I/Q vài dB để đáp ứng yêu cầu ADC BO Trong WCDMA lọai bỏ Báo cáo tiểu luận Page 33 Thiết kế máy thu phát vô tuyến LTE UE DC lọc thông cao (HPF) nghiên cứu cho thấy HPF ảnh hưởng lên EVM thể dạng AWGN Khi thiết kế HPF cần dung hòa EVM, kích thước tụ điện thời gian thiết lập DC Thí nghiệm đo thực cho LTE sử dụng HPF 4,5MHz với méo trễ lớn độ dài CP Các sóng mang đặt gần sóng mang nơi dễ bị ảnh hưởng Đối với băng thông 2,4 MHz xung quanh sóng mang EVM đo 7.5%, Vì LTE cần cẩn trọng thiết kế sơ đồ bù trừ dịch DC 4.7.3 Ảnh hưởng vòng khóa pha Nếu tín hiệu đường xuống OFDM tập tần số CW không điều chế nằm gần nhau, Đầu I/Q trộn DCR tần số CW nhân với lý lịch tạp âm pha (PN: Phase Noise) dao động nội (hình 6.40) Rõ ràng PN vượt khoảng cách sóng mang gây gảm SNR Hình 4.11: Nhân PN dao động nội với sóng mang Nghiên cứu cho thấy đóng góp PA vùng gần sóng mang vùng xa sóng mang khác PN vùng gần gây quay tất sóng mang gọi lỗi pha chung (CPE: Common Phase Error) Có thể ước tính CPE hiệu chỉnh đựơc Các phần tử PN xa tạo nên nhiễu sóng mang (ICI) giống tạp âm hiệu chỉnh Tóm lại, khoảng cách sóng mang OFDM sử dụng LTE dẫn đến yêu cầu tạp âm pha dao động nội Báo cáo tiểu luận Page 34 Thiết kế máy thu phát vô tuyến LTE UE Báo cáo tiểu luận Page 35 Thiết kế máy thu phát vô tuyến LTE UE KẾT LUẬN  Đề tài trình bày phần sau:  Tổng quan LTE: Các đặc trưng ưu điểm 4G LTE so với hệ trước  Giới thiệu hệ thống thu phát vô tuyến đặc trưng  Các yêu cầu chung thiết kế 4G LTE UE:  Các vấn đề đa chuẩn, đa băng, vấn đề phân tập anten có thách thức giải pháp khắc phục Trong có thách thức đồng tồn đưa So sánh mức độ phức tạp LTE với HSDPA  Các vấn đề thiết kế máy phát LTE UE:  Các yêu cầu kiến trúc máy phát: thiết kế khuếch đại đa chế độ điều chế So sánh yêu cầu phần vô tuyến LTE UE với WCDMA/HSPA  Các vấn đề thiết kế máy thu 4G LTE UE:  Các phần tử gây tự giảm độ nhạy FDD UE, ảnh hưởng khoảng cách song công lớn, băng thông truyền dẫn lớn băng tần có khoảng cách song công nhỏ  Ảnh hưởng rò sóng mang máy phát lên đầu vào LNA máy thu, nhiễu chặn ACS  Các phần tử EVM: so sánh LTE WCDMA Tài liệu tham khảo 1) Giáo trình: Thu phát vô tuyến –Ts: Nguyễn Phạm Anh Dũng Báo cáo tiểu luận Page 36 ... 10 Thiết kế máy thu phát vô tuyến LTE UE Hình 2.1: Sơ đồ khối phân hệ vô tuyến tối ưu EGPRS/WCDMA /LTE 2.1.2 Yêu cầu phân tập anten Báo cáo tiểu luận Page 11 Thiết kế máy thu phát vô tuyến LTE UE. .. Báo cáo tiểu luận Page 18 Thiết kế máy thu phát vô tuyến LTE UE CHƯƠNG III: CÁC VẤN ĐỀ THIẾT KẾ MÁY PHÁT LTE UE 3.1 Kiến trúc máy phát 3.1.1 Bộ điều chế vô tuyến máy phát Biến đổi trực tiếp lựa... âm Báo cáo tiểu luận Page Thiết kế máy thu phát vô tuyến LTE UE CHƯƠNG II: CÁC YÊU CẦU CHUNG THIẾT KẾ 4G LTE UE Tất LTE UE phải hỗ trợ giao diện vô tuyến chuẩn Chức LTE cấu trúc đỉnh kiến trúc